A METHOD OF PROTECTING AGAINST WASHOUT BEACH TIDAL WAVES

Abstract


The paper deals with hydraulic structure that is designed for the protection of the sea coast against washout, the results of calculations of the basic parameters.

Куршская коса (Калининградская область, РФ) является уникальным при- родным комплексом, ее берега омываются Балтийским морем с одной стороны, Куршским заливом - с другой (рис. 1).Рис. 1. Куршская коса [1]Состояние побережья косы во многом зависит от воздействия моря и лагуны (залива). Интенсивный размыв и отступление берегов с обеих сторон угрожает существованию этого природного объекта [2; 3].Для защиты побережья от размыва прибойными волнами разработано устрой- ство [4] - оболочка с подпорными стенками из мешков с пляжным грунтом (рис. 2, 3).В данной статье проведен расчет веса мешков с грунтом, необходимого для равновесия гидротехнического сооружения в период размыва пляжа прибойны- ми волнами.Полагаем, что вес мешков с грунтом слева и справа одинаков G1 = G2. Макси- мальные значения горизонтальной Px, кН/м и вертикальной Pz, кН/м проекций равнодействующей нагрузки от разбивающихся волн на вертикальную волноза- щитную стену (при отсутствии засыпки грунта со стороны берега) необходимо принимать по эпюрам бокового и взвешивающего волнового давлений (рис. 4).82Наумов В.А., Ахмедова Н.Р., Белова Л.А. Способ защиты пляжа от размыва прибойными волнамиРис. 2. Оболочка с подпорными стенками из мешков с пляжным грунтом [4]: а - вид сверху; вид по А; 1 - оболочка; 2 - лента; 3 - фартук; 4 - стяжка; 5 - пляж; 6 - вода;7 - прудок-отстойник; 8 - граница пруда-отстойника; 9 - мешки с пляжным грунтомРис. 3. Вид защитного устройства во время испытаний83Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 4При этом значения давления p и η определяются в зависимости от места распо- ложения сооружения. При расположении сооружения на берегу за линией уреза в пределах наката волн (рис. 4) по формулам [5]:⎛ al ⎞⎛λ⎞ p ⎜1 - ar ⎟ ⋅ pu , pu⎝033 + 0,75⎟, η = ,d gp = 0,7 ⋅⎝ ⎠= ρgh ⋅ ⎜0,(1)⎠ ρгде ρ - плотность воды, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; - средняя длина волн, м; η - превышение гребня волны над расчетным уровнем в створе вол- нозащитной стены, м; pu - наибольшее давление волн в створе последнего обруше- ния прибойных волн, кПа; h - высота разбивающихся волн, м; an - расстояние от створа последнего обрушения волн до линии уреза (приурезовая зона), м; al - рас- стояние от линии уреза воды до сооружения, м; ar - расстояние от линии уреза воды до условной границы наката на берег разбивающихся волн (при отсутствии сооруже- ния), м; d - глубина воды в створе последнего обрушения прибойных волн.Рис. 4. Расчетная схемаКритическая глубина dс при первом обрушении волн определяется для задан- ных уклонов дна i по графикам из [5]. Были получены формулы, аппроксимиру- ющие графики. Для i  0,02 погрешность аппроксимации не превышает 5%:db = 0,0106 - 0,1452d + 1,6403 · 103 · d2 - 1,1442 · 105 · d3 + 2,7099 · 106 · d4, (2)db = dc/λ, d = h1/(gT2). Период T и средняя длина волны связаны формулой [5]λ = gT2/(2π).Критическая глубина, соответствующая последнему обрушению волн d, при заданном постоянном уклоне дна i определяется по формуле [5]d = kn-1 · dc, (3)где k - коэффициент, принимаемый по второй строке таблицы 1 [5]; n - число об- рушений волн.Величина n принимается из ряда n = 2, 3 и 4 при выполнении двух неравенствkn-2 ≥ 0,43 и kn-1 < 0,43. (4)84Наумов В.А., Ахмедова Н.Р., Белова Л.А. Способ защиты пляжа от размыва прибойными волнамиЗаметим, при уклонах дна более 0,05 принимают d = dc. Сравнение квадрата и куба коэффициента k в таблице с 0,43 позволило определить количество об- рушений волны при заданном уклоне дна.Далее будем рассматривать случай, когда защитное сооружение установлено на линии уреза. Тогда al = 0, первая формула (1) упростится. При построении сил, действующих на защитное сооружение (рис. 5) можно пренебречь их отклонени- ем от вертикали и горизонтали, так как косинусы углов наклонной плоскости близки к единице (табл.).Параметры, применяемые при расчетахТаблицаУклон дна i0,010,0150,020,0250,030,0350,040,0450,05Коэффициент k0,750,630,560,50,450,420,40,370,35k20,5630,3970,3140,250,2020,1760,160,1370,122k30,4230,2500,1760,1250,0910,0740,0640,0510,043Количество обрушений n433332222cos φ1,01,01,01,01,00,9990,9990,9990,999Пусть центры тяжести мешков с песком находятся на расстоянии a/4 от края сооружения. Кроме того, η ≥ D, тогда избыточное давление в верхней точке вы- числяется по формулеp0 = p(1 - D/η).Составляющие равнодействующей сил давления воды Px, Pz вычислялись по формулам [6; 7].Рис. 5. Схема сил, действующих на защитное сооружениеСистема уравнений равновесия при недеформированном объекте:-bN + 0,5a · G + 0,75a · G1 + 0,25a · G2 - 0,667a · Pz - zp · Px = 0 (5) N - G - G1 - G2 + Pz = 0, (6) F + Px = 0. (7)85Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 4Из уравнения (7) суммарная горизонтальная реакция поверхностиF = -Px.Из уравнения (6) вертикальная реакция поверхностиИз уравнения (5)N = G + 2G1 - Pz = 0.0,5a ⋅ G + a ⋅ G1 - 0,667a ⋅ Pz - z p ⋅ Px b = .G + 2G1 - Pz(8)По формуле центра тяжести трапеции0D 2 p + p z p = ⋅ .3 p0 + pВеличина безразмерного плеча нормальной реакции δ:b 0,5G + G1 - 0,667 ⋅ Pz - Px z p / aδ= = .a N(9)Были рассчитаны реакции при следующих параметрах: D = 1,5 м; a = 1,7D. Для сохранения равновесия необходимо выполнение условия N > 0, в противном слу- чае тело оторвется от поверхности (всплывет). По рисунку 6 можно определить необходимый вес мешков с грунтом при заданной высоте волны.Рис. 6. Нормальная реакция в зависимости от высоты волны при длине волны 30 ми различных значениях γ = G1/G: 1 - γ = 0,4; 2 - γ = 0,5; 3 - γ = 0,6; 4 - γ = 0,7; 5 - γ = 0,8Для сохранения равновесия должно выполняться неравенство 0 < δ <1, в про- тивном случае произойдет опрокидывание. На рисунке 7 представлены резуль- таты расчета величины безразмерного плеча нормальной реакции. Видно, при каких значениях γ устройство опрокидывается (δ падает до нуля).86Наумов В.А., Ахмедова Н.Р., Белова Л.А. Способ защиты пляжа от размыва прибойными волнамиРис. 7. Безразмерное плечо нормальной реакции в зависимости от высоты волны при длине волны 30 м и различных значениях γ = G1/G: 1 - γ = 1,2; 2 - γ = 1,4; 3 - γ = 1,6; 4 - γ = 1,8; 5 - γ = 2,0Чтобы не началось скольжение, должно быть выполнено условие|F|  N · f или f ≥ Px/N. (10)На рисунке 8 представлены результаты расчета величины коэффициента тре- ния скольжения, необходимого для сохранения равновесия. На рисунке 8 необ- ходимо провести горизонтальную линию f = fc, где fc - коэффициент сцепления. При значениях безразмерных параметров устройства, соответствующих линиям, лежащим ниже этой горизонтали, скольжение будет отсутствовать.Рис. 8. Величина коэффициента трения, необходимая для сохранения равновесия в зависимости в зависимости от высоты волны при различных значениях γ:1 - γ = 1,2; 2 - γ = 1,4; 3 - γ = 1,6; 4 - γ = 1,8; 5 - γ = 2,0По трем графикам необходимо определить, какое из условий является крити- ческим для сохранения условий равновесия защитного устройства. Пусть fc = 0,7; h = 1,7 м. По рисунку 7 для отсутствия скольжения должно быть γ > 1,6. По ри- сунку 6 для отсутствия опрокидывания - γ > 1,2. По рисунку 6, чтобы устройство87Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 4не всплывало, - γ > 0,47. Таким образом, критическим будет условие отсутствия скольжения.Оценим, какой должна быть плотность грунта в мешках, чтобы сохранялось равновесие γ > 1,6 или G1 > 1,6G. Выразим вес через плотности и площади сече- ния, получим неравенствоS1 · ρ1 > 1,6 · S0 · ρ0,где ρ0, ρ1 - плотность воды и грунта в мешках, соответственно; S0, S1 - площадь се- чения цилиндрической оболочки с водой и пространства для мешков (с одной сто- роны), соответственно.В рассматриваемом примере отношение S1/S0  0,23. Тогда должно выполнять- ся неравенство ρ1 > 6950 кг/м3, что практически не реализуемо.Таким образом, рассматриваемое устройство можно использовать, наполняя мешки пляжным грунтом, при высоте волн до 1 м.Теоретические данные согласуются с результатами, полученными в ходе на- турных наблюдений, которые проводились на Куршской косе Калининградской области.

V A Naumov

Kaliningrad State Technical University

Sovetskiy pr., 1, Kaliningrad, Russia, 236022

N R Akhmedova

Kaliningrad State Technical University

Sovetskiy pr., 1, Kaliningrad, Russia, 236022

L A Belova

Kaliningrad State Technical University

Sovetskiy pr., 1, Kaliningrad, Russia, 236022

Views

Abstract - 98

PDF (Russian) - 47


Copyright (c) 2016 Наумов В.А., Ахмедова Н.Р., Белова Л.А.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.